Geri Dön

EfficientHEVC and VVC motion estimation hardware

Verimli HEVC ve VVC hareket tahmini donanımları

PDF İndir

  1. Tez No: 694719
  2. Yazar: WAQAR AHMAD
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKER HAMZAOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

The significant increase in digital video usage and spatial and temporal video resolutions, has led to the development of new video coding standards, which can compress more without causing quality loss. HEVC and VVC are the two latest video coding standards. VVC is the most recent standard and it is more computationally complex than HEVC. Motion estimation (ME) is used in these standards to remove temporal redundancies between successive video frames. ME accounts for at least 50% and as much as 70% of the total encoding time in both these standards. Approximate computing is an emerging technique to design efficient hardware for error-tolerant applications such as video coding. In this thesis, an efficient HEVC ME hardware is proposed. An approximate adder, suitable for absolute difference operation, is proposed and integrated to this HEVC ME hardware. Detailed comparison of several approximate circuits including the proposed approximate adder and traditional bit truncation technique for HEVC ME is presented. The proposed approximate adder achieved up to 10% power reduction in ME hardware while providing better quality than the other approximate circuits. An efficient hardware for translational VVC ME is also proposed. It is the first VVC ME hardware in the literature. The proposed hardware reduces the memory accesses significantly by using an efficient data access and reuse method. It uses a novel adder tree to minimize hardware area while meeting real-time video encoding requirements. It is capable of processing up to 30 4K video frames per second. An efficient approximate sum of absolute differences (SAD) hardware is proposed for FPGAs. It utilizes the unused LUT inputs of an FPGA to reduce area and power consumption while providing an almost accurate result. The proposed approximate SAD hardware uses up to 20% less LUTs and consumes up to 38% less power than the smallest and lowest power-consuming approximate SAD hardware in the literature, respectively. The proposed SAD hardware can be used in HEVC and VVC ME hardware. Finally, a methodology is proposed for designing low error efficient approximate adders for FPGAs. Two approximate adders for FPGAs are designed using the proposed methodology: low error and area efficient approximate adder (LEADx), and area and power efficient approximate adder (APEx). LEADx has lower mean square error than the approximate adders in the literature. APEx is the smallest and lowest power consuming FPGA-based adder in the literature. These approximate adders are integrated to ME in HEVC software encoder. LEADx provided better quality than the other approximate adders for HEVC video coding.

Özet (Çeviri)

Sayısal video kullanımındaki, uzamsal ve zamansal video çözünürlüklerindeki önemli artışlar nedeniyle, kalite kaybına neden olmadan daha fazla sıkıştırma yapan video kodlama standartları geliştirilmektedir. HEVC ve VVC en son geliştirilen video kodlama standartlarıdır. En yeni standart olan VVC HEVC'den daha fazla hesaplama karmaşıklığına sahiptir. Hareket Tahmini (HT) ardışık video çerçevelerindeki zamansal artıklıkları azaltmak için kullanılır. HEVC ve VVC standartlarındaki toplam kodlama süresinin en az %50'si ile en fazla %70'ini HT almaktadır. Yaklaşık hesaplama, video kodlama gibi hatalara dayanıklı uygulamalar için verimli donanım tasarlamak için kullanılan yeni bir tekniktir. Bu tezde, verimli bir HEVC HT donanımı önerilmiştir. Mutlak fark işlemi için uygun bir yaklaşık toplayıcı önerilmiş ve HEVC HT donanımına entegre edilmiştir. Geleneksel bit kesme yöntemi ve önerilen yaklaşık toplayıcı da dahil olmak üzere, yaklaşık devrelerin HEVC HT donanımında kullanımları detaylı karşılaştırmıştır. Önerilen yaklaşık toplayıcı %10'a kadar güç azalması sağlamış ve diğer yaklaşık devrelerden daha kaliteli sonuçlar vermiştir. Bir verimli VVC öteleme HT donanımı önerilmiştir. Bu literatürdeki ilk VVC HT donanımıdır. Önerilen donanım verimli veri erişimi ve yeniden kullanma yöntemi kullanarak bellek erişimini önemli miktarda azaltmaktadır. Önerilen donanım özgün toplayıcı ağacı kullanarak donanım alanını azaltmasına rağmen gerçek zamanlı video kodlamaktadır. Önerilen donanım saniyede 30 tane 4K video çerçevesi işleyebilmektedir. FPGA'lar için verimli yaklaşık mutlak farklar toplamı (MFT) donanımı önerilmiştir. Önerilen MFT donanımı, FPGA'daki LUT'ların kullanılmayan girdilerini kullanarak alan ve güç tüketimini azaltmakta ve neredeyse tam doğru sonuç vermektedir. Önerilen yaklaşık MFT donanımı, literatürdeki en küçük yaklaşık MFT donanımından %20 daha az LUT kullanmakta ve literatürdeki en az güç tüketen yaklaşık MFT donanımından %38 daha az güç tüketmektedir. Önerilen MFT donanımı HEVC ve VVC HT donanımlarında kullanılabilir. Son olarak, FPGA'lar için düşük hatalı verimli yaklaşık toplayıcı tasarlama yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntem kullanılarak FPGA'lar için iki yaklaşık toplayıcı tasarlanmıştır: düşük hatalı ve alan verimliliği yüksek yaklaşık toplayıcı (LEADx), ve alan ve güç verimliliği yüksek yaklaşık toplayıcı (APEx). LEADx literatürdeki yaklaşık toplayıcılardan daha düşük ortalama kare hatasına sahiptir. APEx literatürdeki en küçük ve en az güç tüketen FPGA tabanlı toplayıcıdır. Bu yaklaşık toplayıcılar HEVC kodlayıcı yazılımındaki HT'ne entegre edilmiştir. LEADx HEVC video kodlamada diğer yaklaşık toplayıcılardan daha kaliteli sonuçlar vermiştir.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    854163

    Efficient HEVC and VVC video compression hardware designs

    Verimli HEVC ve VVC video sıkıştırma donanım tasarımları

    HOSSEIN MAHDAVI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MURAT KAYA YAPICI

    PROF. DR. İLKER HAMZAOĞLU

Geri Dön